针-环电极配置下电场对气泡分散特性的影响

张伟，王军锋，苏巧玲，吴天一

（江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）

气液两相流广泛存在于化工及能源领域，如喷墨打印、水处理、电解制氢和生物催化等。减小分散在液相内气泡的尺寸通常能增大相界面面积和气泡在液相中的滞留时间，可以有效提高相间传热传质效率。传统的方法产生小气泡主要是利用叶轮进行机械搅拌或通过多孔介质产生的流体脉动使气泡破碎，然而，在这些方法的应用过程中存在能量消耗过高且获得微气泡和纳米气泡的难度较大等问题。相较而言，静电分散方法具有显著增大相界面面积和能量消耗低的优势。

3.1 发枝促花剂对幼树生长发育的影响 从表1看出，处理组幼树的树高、干径在2015年时（1年生）显著低于对照组，2016年时（2年生）处理组和对照无显著差异，1年生树处理组和对照组树冠体积无显著差异，2年生树处理组树冠体积较对照扩大70.1%；处理组分枝数、冠幅显著高于对照组，这可能是由于1年生时处理组幼树抽生分枝较多，消耗了大量营养，影响了主干生长，2年生时处理组分枝较多，叶幕形成较快，树体制造养分较多，树高、干径增加较快。

自Rayleigh于1882 年提出电场可以使液滴荷电破碎分离出多个子液滴以来，采用电场来促进多相体系分散和混合的研究不断发展。Duft 等研究了电场作用下单个液滴荷电破碎的详细演变过程，包括液滴从初始球状至椭球状的变形、液滴两端的破碎微射流、微射流解体和最终的液滴形态恢复。Castillo-Orozco等综合考虑了液体物理性质、流量和电场特性等因素，提出了7种不同的液滴电喷雾模式。Wang 等对电场作用下液-液系统的分散问题进行了研究，发现液滴随着电场强度的增大依次呈现单滴模式、摆动模式、枝杈模式和片状模式，其中片状模式对应的液滴尺寸在微米/纳米级。

仅有少数研究关注了电场作用下气泡在液相中的分散过程，其主要原因是电场中的气泡难以像液滴被荷电，在气-液或液-液静电分散体系中观察到的电喷雾和电聚并等经典现象在液-气静电分散体系中不易出现。然而，在气液界面处由于带电粒子在液相中的不均匀分布，产生的电场力对气泡的行为和动力学特性产生直接影响。因此，气泡在液相中的分散模式和尺寸分布会随着电场的变化不可避免地发生改变。Ogata 等研究了空气在电解液中的电分散现象，发现气泡分散效果比机械搅拌高4 个量级。Shin 等提出电场中气泡的形成受多个重要因素影响，包括毛细管直径、电极结构、电极距离和气体流量等。Di Marco 和Grassi发现电场的应用使气泡获得一个额外的力来代替浮力加速气泡的生长与脱离。最近，杨世杰等提出电场的作用可使气泡的生长周期缩短至约10ms，相应的气泡直径仅为毛细管内径的1/2，且脱离速度为无电场作用下的4倍。

基于以上研究结果，本研究设计了一种新型的毛细电极，可在非均匀直流电场作用下使气体在液体中充分分解。根据无水乙醇的电导率和介电常数，选择无水乙醇作为液体介质。本研究的第一个目标是利用高时空分辨率的高速摄影技术探讨电场对气泡分散现象的基本认识，由此确定气泡的动力学行为、相互作用和模式转变规律；第二个研究目标是对气泡尺寸分布进行定量描述，提出适用于气泡脱离直径的经验公式，以期促进电场中气泡分散模型建立的发展。

1 实验测量与方法

本实验对电场作用下气泡在无水乙醇中的分散现象进行了可视化测量。图1(a)所示为静电液-气分散测量系统的主要实验装置，包括实验模型装置、高压静电发生器和高速图像拍摄装置3 个部分。实验装置主体为一个垂直放置并且固定的矩形有机玻璃透明容器，尺寸为60mm（长）×60mm（宽）×100mm（高）。容器底部中心处开设圆孔，一根由毛细玻璃管（外径=0.5mm、内径=0.3mm）和金属针（直径=0.08mm）构成的毛细电极通过圆孔垂直安装，其结构如图1(b)所示；同时，该电极与高压静电发生器（电压为0～30kV，电流为0～2.0mA）的负极端连接。毛细管与注射泵通过橡胶管连接，其中注射泵用于控制气体流量。另一环状金属电极（圆环直径20mm、截面直径2mm）安置于毛细管的正上方20mm处，并进行接地处理，通过施加高压电在毛细电极和环状电极之间的区域内形成非均匀电场。在实验过程中，容器中液面与容器底部距离保持70mm，液体温度控制在(25.0±0.5)℃，相关物性参数如表1所示。

2%硅藻土悬浮液：称取2 g硅藻土，用98 mL蒸馏水浸泡24 h，充分吸水膨胀后，搅拌均匀，备用[24]。

图1 静电液-气分散实验测量系统

表1 相关材料物性参数

气泡的演化过程通过Phantom V1611 型高速摄像机并结合NAVIGATOR 12-X 型显微变焦镜头采集。为防止静电累积，测量仪器和部件均采用聚四氟乙烯进行绝缘或者接地处理。为充分捕捉气泡的演化特征，将相机的帧速率设定为5000 帧/秒，相机分辨率为768×768pixels。完成对气泡行为的采集后，通过MATLAB 和Image J 等商业软件对捕捉到的气泡进行信息提取分析。

2 基本理论

根据Landau 和Lifshitz提出的电流体动力学理论，因电场作用在流体界面产生的电场力可表示为式(1)。

式中，为流体的净荷电密度；为流体密度，kg/m；为介电常数；和为矢量电场及其模，V/m。式(1)中右测第一项描述了电场作用下流体中自由电荷相互作用产生的库仑力，当系统自由电荷较少或电流较低时，该作用力可忽略；第二项和第三项统称为极化力，前者为介电泳力，由两相间的介电常数梯度所致，后者为电致伸缩力，与流体的体积变化相关，对于不可压缩流体，这种力的影响可以忽略不计。

（2）萃钯余液铂含量低，而杂质硒、碲浓度高，在萃铂过程中易导致贱金属与铂共萃进入有机相中，影响铂萃取效果及产品质量。

图2 电场作用下的液-气界面及受力分析

3 实验结果与分析

在本次实验中，气泡的分散过程主要由气体流量（，mL/min）和施加电压（，V）决定。因此，本文采用气体韦伯数（惯性力与表面张力的比值）和电邦德数（表示电场力与表面张力的比值）对气泡的影响因素进行表征，如式(2)和式(3)所示，其中=4/(π)，为两个电极之间的距离。

3.1 气泡分散模式

3.1.2 混合模式

气体流量是影响气泡尺寸分布的重要因素之一。由于气泡在滴状模式下的生长和分离具有规律性，因此，本研究探讨了气体流量对滴状模式下气泡尺寸分布的影响。图7所示为不同电邦德数条件下气体韦伯数与量纲为1气泡直径的对应关系。可以看出，在不同下，均随着增加而减小。同时，由于气体在毛细管内的积聚，总体气泡尺寸随着的增加而增大。此外，对于不同，随着的变化均符合式(6)所示的数学模型，尤其当≥0.86时，实验结果与数学模型高度吻合。

为了进一步理解电场对气泡的影响，本文对气泡的尺寸分布进行了定量分析。图6显示了在=0.008 条件下随的变化，其中量纲为1 气泡直径定义为索特平均直径与毛细管内径的比值，见式(4)、式(5)。

图3 滴状模式气泡的瞬态演化过程

电场中滴状气泡是最常见的分散模式。根据文献报道的结果，气泡在施加电压高于10kV 的环境中会发现较明显的变化，而在本研究中施加的电压最高为2.3kV。从宏观结果来看，本研究中电场对气泡的特征影响更显著。事实上，这种差异与实验中所使用液体的电物性相关。已有研究中主要以理想电介质为液相，其产生的极化力垂直于界面，位于界面上的自由电荷密度极低/零，界面形变和界面张力的结合平衡了电应力的作用。而本研究以漏电介质为液相，界面电荷的聚集使电场强度发生极大变化，带电粒子间相互作用产生的库仑力占主导促进了气泡的发展。

可以看出，的演化特征随着的变化对应了3种分散模式的划分。对于滴状模式，初始电场的加入导致急剧下降，这表明即使电场强度相对较低，电场对气泡动力学特性的影响仍然是显著的。对于混合模式，在34.45<<38.17 范围内，一个对应两个值，其中较大的值近似延续了滴状模式气泡的尺寸变化趋势，较小的值表示由于库仑分裂产生的微气泡。在喷雾模式下，微气泡尺寸保持稳定，可为气液两相混合和传质提供良好的环境。

3.1.1 滴状模式

气泡以混合模式分散具有两种极端的尺寸分布，如图4 所示，对应的实验工况为=0.008、38.17，其中小气泡尺寸基本小于20μm，而大气泡在尺寸上类似于滴状模式的气泡。造成这种现象的原因主要是供给和分解的气流不平衡。同时，气泡分散区域相对较大，且气泡间的聚并现象仍然存在。此外，由于EHD 流动的剪切作用，即使在气泡运动至远离毛细电极的位置仍有可能发生剧烈剪切变形和破碎等复杂现象。这意味着EHD 流动对气泡的作用在远离毛细电极的竖直方向上具有持续性。根据Kanazawa 等的研究结论，EHD 流动的速度分布不均匀且流动过程中存在涡量。因此，脱离的气泡由于EHD 流动的携带作用具有不同的演化速度和轨迹。

图4 混合模式气泡的瞬态演化行为

Ptasinski 等在相对较高的电场强度下发现了类似的分散气泡混合现象。然而，由于电极结构存在差异，本研究所采用的针状电极尖端附近电场强度极高，因此在实验中所获得的微气泡尺寸更小。根据Rayleigh提出的荷电液滴雾化理论，当液滴表面的电荷密度超过一定值时，大量细小的液滴从母液滴中分离。对于电场作用下气泡在液相中的分散，同样存在电荷在界面上的累积过程。因此，随着电场强度的增加，气泡尺寸减小；当界面上的电荷密度接近瑞利极限时，供给的气流被分解产生微气泡。此外，根据Aramide 等的研究结论，只有漏电介质才能产生切向应力将电荷输送到气液界面，而已有的多数静电液气分散研究中采用的液体介质为理想电介质，这是本研究与文献中结果不同的根本原因。

3.1.3 喷雾模式

在更高的电场强度下，气流被充分分解，大量的微气泡/纳米气泡从毛细管口喷射而出，形成了类似于静电气液分散体系中的雾化现象，本研究将其定义为喷雾模式，如图5(a)所示，实验工况为=0.008、50.47。图5(b)为局部放大12 倍后的微气泡瞬态演化行为。此处的气泡分散可以反映出两个主要特征：一个特征是EHD 流动对气泡发展的限制是明确的，如第一帧0所示，箭头表示气泡在随后0.25ms 内的运动方向和轨迹，可以看出微气泡的运动具有明显的EHD 流动特征；另一个特征是尽管各微气泡的尺寸存在差异，但基本在20μm 以下。气泡尺寸从滴状模式至喷雾模式发生了显著下降。从微气泡的生产方式来看，本研究设计的静电液-气分散装置不仅可以生产出尺寸更小的微气泡，而且所消耗的能量低。

图5 喷雾模式气泡瞬态图像

3.2 气泡尺寸分布

电场的施加使气泡的分散特性发生了显著变化。由于电场力的作用削弱了表面张力的影响，因此气泡尺寸随着电邦德数的增大而减小。在恒定气体流量下，电场作用使气泡产生速度加快，且两个相邻气泡之间距离缩短。如图3(b)所示，气泡在=3.44 工况下的生长周期约为8.0ms；同时，从图中的气泡尺寸和分散规律来看，尽管各个气泡的尺寸保持均一，但前导气泡的尾迹可能影响尾随气泡的运动。随着毛细电极附近的电场强度增加，电荷在气液界面上发生累积，气泡的脱离时间进一步缩短，如图3(c)所示。各气泡的尺寸存在差异，且气泡间的相互作用明显增强。在电场驱动流体运动（EHD）以及气泡间的碰撞、聚并和反弹等行为影响下，气泡沿毛细管轴线向两侧扩散，且尺寸分布范围扩大。因此，电场强化了气泡的分散特性，并且这种强化效应随着电场强度的增加更为明显。

图6 量纲为1气泡直径随电邦德数的变化

2013年丽江市机插秧面积完成0.1万亩，2014年完成0.21万亩，2015年完成0.54万亩，2016年机插秧实施面积0.62万亩，2017年完成1万亩。

江南景观内涵丰富，传承持久，自然与人文完美结合，历来为人们所欣赏和称颂。在南巡期间，悠游江南景观是康熙、乾隆两位皇帝的主要活动之一。分析康、乾二帝南巡诗和所题匾联可以发现，其所关注的景观类型丰富多样，尤以人文类旅游资源为主。江南建筑与设施景观是其南巡期间的主要眷顾对象，佛寺、园林和名人祠观等人文景观位居景观基本类型前列。康、乾二帝在南巡期间所游景观主要集中于杭州、苏州、江宁和扬州等9个府，构成了一个有主有次、有轻有重的网络。

在液-气静电分散体系中，气体通常被认为是良好的绝缘体，而液体可大致分为理想导体（介电常数为零）、理想电介质（绝缘体，电导率为零）和漏电介质（非零电导率和介电常数）。根据无水乙醇的电导率量级（大于10S/m），本研究中气液两相属于漏电介质-理想电介质体系，电场和流体的动力学耦合仅发生在气液界面处，电荷传递到表面，产生与理想导体和理想电介质截然不同的电场力。Chen对电场力的方向和作用进行了讨论，将作用在气泡表面的电场分解为法向分量和切向分量，如图2(a)所示。在界面上的作用力主要包括三项，如图2(b)所示，①由于液-气界面的介电常数梯度而产生的法向极化力，该力对气泡膨胀进行约束以避免电场的局部收缩，并促进气泡从强电场区向弱电场区运动；②表面上自由电荷相互排斥产生的法向库仑力，通过平衡和削弱表面张力的影响减小气泡尺寸；③表面上自由电荷产生的切向电应力，该力对气泡产生剪切作用并加速气泡的生长。

滴状模式气泡的主要特征是单个尺寸较大的气泡从毛细管脱离。图3 所示为气体韦伯数=0.008 和电邦德数在0～13.74 之间的气泡演化过程。可以看出，无电场作用时，气泡在生长阶段沿垂直方向逐渐被拉长，如图3(a)所示。当浮力超过表面张力时，形成一个完整的气泡，气泡生长周期约为64.6ms。由于气泡脱离的尺寸相对较大，气泡上下表面的压力差使其在上升过程中呈椭球状。同时，该工况下相邻两个气泡之间距离较大，气泡尾迹效应可以忽略。

如今，随着临床治疗水平不断提高，传统的护理模式已经无法满足患者的身心需求，临床护理逐渐面临着转化、改革[4]。针对肺癌合并糖尿病患者而言，由于患者病情复杂、手术所产生的应激反应较为明显，会对患者的身体健康产生一定影响，因此在患者围手期对开展高效、合理、科学的护理模式十分必要。目标性护理指的是在患者不同的治疗阶段，制定相对应的护理目标，围绕目标而展开护理措施[5]。在实施目标性护理时，需坚持以患者为中心的思想，提高患者的主观能动性。

图7 不同气体韦伯数下气泡尺寸随电邦德数的变化

图8为气泡尺寸预测模型的验证结果。可以看出，对于≤5的气泡，实验结果与预测结果高度吻合，而对于>5的气泡，模型结果与实验结果的相关性较弱。这意味着所建立的数学模型可对尺寸较小的气泡进行高精度预测，而对于气泡直径大于5倍毛细管内径的气泡预测准确性不足。

图8 气泡尺寸预测模型验证

3.3 气泡产生数量

图9为3min内在不同韦伯数和电邦德数条件下的气泡产生数量统计结果。与图7相似，由于微气泡的数量难以统计，此处主要针对滴状模式气泡。可以看出，随着电邦德数的增大，气泡产生数量快速上升，在=0.045、=27.58工况下达到3609个。这主要是由于电场对气泡形成的强化效果，电场在减小气泡尺寸的同时加快了气泡的生长速度，提高韦伯数使这一效果更明显。其中在=27.58条件下，气泡在单位时间内的产生数量高于未施加电场条件下结果的27 倍。这一结果证实了由毛细电极附近高电场强度诱导产生的电场力代替了浮力加速气泡的产生。同时，这也是在已发表文献中提出电场能够在微重力或失重条件下将蒸气泡从受热表面去除的根本原因。

图9 不同韦伯数和电邦德数条件下的气泡产生数量统计结果

3.4 气泡分散模式转变

随着和的变化，电场作用下空气气泡在无水乙醇中分散的整体相图如图10 所示。可以明显看出，滴状模式所占区域最大。当˃30.92时，气泡分散模式对和较敏感；在≤0.015 范围内，气泡分散始终未呈现出滴状模式特性；随着增大，气泡依次呈现为混合模式和喷雾模式；但在量纲为1较高流量条件下，喷雾模式难以出现，且越高滴状模式所占区域越大，这主要是供给气流与分解气流的不平衡所致，同时这意味着此时气泡分散模式的改变需要更高的电场强度。尽管如此，在足够高的电场强度下，微气泡可以稳定产生。

图10 气泡分散模式相图

4 结论

（1）电场作用加速了气泡的产生，强化了气泡的分散特性，气泡依次呈现为滴状模式、混合模式和喷雾模式，其中混合模式和喷雾模式的微气泡直径基本小于20μm，对应的最低电邦德数为34.45。

（2）气泡尺寸与分散模式密切相关。滴状模式下，气泡直径随着电邦德数的增大快速减小，随着气体韦伯数的增加而增大；混合模式中，较大气泡的直径延续了滴状模式气泡直径的发展趋势；微气泡的尺寸随电压的变化较小。此外，气泡分散模式的转变强烈依赖于电邦德数，气体韦伯数的上升延缓了分散模式的转变。

基底节区高血压脑出血在临床上发病率高,残疾和死亡率高,严重危害人类健康。高血压患者基底节颅内出血可发生在短时间内,血肿压迫周围脑组织,造成脑缺血缺氧,产生严重神经损害,需及时手术治疗,尽早清除血肿[1]。本研究分析了微创穿刺引流术在基底节区高血压脑出血患者治疗中的应用及效果,报告如下。

（3）在0.001<<0.045、0<<30.92范围内，建立了滴状模式下量纲为1气泡直径与电邦德数和气体韦伯数的数学模型，针对量纲为1 直径小于5的气泡，该模型预测结果与实验数据高度吻合。

以制造过程误差传递为基础，分析产品质量与成本间的相互作用关系，建立多工序零件质量成本优化模型，在保证零件质量的前提下实现产品的成本控制。成本函数作为优化模型的目标函数，其数学表达式为：

（4）电场强化气泡分散为发展在低能量注入条件下实现强化多相系统中相间混合和传质提供了新思路。电场中气泡形貌特性的分析和尺寸演化模型的建立是深入探讨静电液气分散机理从而完善荷电多相流动系统基本理论的关键，对改善和开发新型多相混合与传质系统具有重要的指导意义。